現(xiàn)代示波器和數(shù)字化儀越來越好。更高的帶寬、更好的垂直分辨率和更長的采集內(nèi)存。更不用說更多用于特定應用測量的固件工具了。借助所有這些高級分析功能，有時很難記住一些非常古老且簡單的規(guī)則，這些規(guī)則可以提高測量的準確性和精度。這里有一些好主意可以提供幫助。

使用儀器前端的完整動態(tài)范圍

數(shù)字儀器將其輸入信號饋送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。ADC 的動態(tài)范圍與其分辨率位數(shù)有關(guān)。該儀器使用衰減器或放大器將輸入信號與 ADC 輸入電壓范圍相匹配。如果 ADC 的輸入小于其輸入范圍，則會降低 ADC 的總動態(tài)范圍。當用戶在屏幕上設(shè)置多個跟蹤時，可能會發(fā)生這種情況。

一些示波器和數(shù)字化儀顯示軟件僅提供單個顯示網(wǎng)格。如果您嘗試在全動態(tài)范圍內(nèi)顯示多條信號跡線，則信號會重疊，從而難以查看。大多數(shù)面臨這個問題的人都會減少每個通道的垂直縮放。如果您有四條跡線，只需將每格電壓設(shè)置增加四倍。現(xiàn)在，每條跡線僅占據(jù)屏幕的四分之一，并且所有四條跡線都適合屏幕，沒有重疊。問題解決了?并不真地。您只是將動態(tài)范圍減少了兩位，您將 8 位示波器變成了 6 位示波器。你衰減了信號，但是儀器的內(nèi)部噪聲是一樣的，信噪比現(xiàn)在差了兩位。 圖 1顯示了動態(tài)范圍損失的影響。

圖1降低信號幅度以在單個網(wǎng)格上擬合多條跡線導致信噪比降低的示例。

底部網(wǎng)格顯示以 50mV/格獲得的原始信號。頂部跡線顯示在全屏的四分之一或 200mV/格處獲取的跡線。如果您垂直擴展衰減的跡線并以原來的 50mV/格顯示，則垂直噪聲顯著增加，您可以從顯示的跡線變粗看出。由于較差的信噪比，對衰減跡線進行的測量會增加不確定性。對于具有多個網(wǎng)格顯示的示波器或數(shù)字化儀來說，這不是問題，每個網(wǎng)格都以全動態(tài)范圍顯示信號，并且可以比較多個信號，每個信號都在自己的網(wǎng)格中。如果您無法使用多網(wǎng)格示波器，請確保對全幅度信號進行任何測量。

通過消除噪聲提高動態(tài)范圍和測量精度

使用平均或濾波形式的信號處理來降低噪聲、提高動態(tài)范圍和測量精度。整體平均，其中每次采集的第 n個樣本在多次采集中一起平均，降低了與平均信號數(shù)量的平方根成比例的高斯噪聲。這可以從背景噪聲中帶出低電平信號，以實現(xiàn)更好的測量。它確實需要多次收購。

對于單次采集，您可以通過限制信號的帶寬來降低噪聲。動態(tài)范圍的提高與帶寬降低的平方根成正比。將帶寬減少四倍，以實現(xiàn)動態(tài)范圍的二比一改進。這假設(shè)信號具有低帶寬并且不受帶寬減少的影響。圖 2顯示了使用平均或濾波可以實現(xiàn)的改進。

圖 2對多個采集進行平均或?qū)蝹€采集進行濾波可以通過消除噪聲來提高采集的動態(tài)范圍。

獲取的信號是指數(shù)衰減的正弦波。頂部軌跡顯示原始采集。請注意，信號在屏幕四分之三處消失在噪音中。中心軌跡顯示多次采集的平均值。在底部軌跡中，已將高斯低通濾波器應用于采集的信號。平均和濾波都可以降低噪聲并提高測量的動態(tài)范圍。經(jīng)過任何一種信號處理后，信號都清晰可辨。

提高光標測量的準確性

光標是垂直和/或水平線，可以在示波器或數(shù)字化儀顯示器上移動以標記波形上的重要點。光標讀數(shù)顯示光標位置處波形的時間或幅度，如圖 3所示。波形是鍵控射頻載波，水平相對光標用于測量射頻脈沖的寬度。這是使用儀器的自動測量參數(shù)無法進行的測量。光標水平讀數(shù)出現(xiàn)在時基注釋框的右下角，讀數(shù)為 8.06275 μs。

圖 3水平相對光標用于測量射頻脈沖突發(fā)的持續(xù)時間。

這真的是爆發(fā)的持續(xù)時間嗎?答案是不。該波形在采集中有 200 萬個樣本。水平屏幕分辨率為 1920 像素。因此，很明顯并非所有樣本都顯示在屏幕上。儀器制造商應用壓縮算法來減少顯示點的數(shù)量。他們設(shè)法顯示像峰值這樣的重要點，但除非你擴大顯示，否則你仍然看不到很多。

進行此測量的更準確方法是使用縮放軌跡水平擴展 RF 突發(fā)開始和結(jié)束處的波形，如圖 4所示。

圖 4使用縮放軌跡在脈沖串的第一個和最后一個采樣點更準確地放置光標。

縮放軌跡 Z1 和 Z2 水平擴展突發(fā)的開始和結(jié)束?？s放軌跡中的樣本計數(shù)小于屏幕分辨率，因此不使用壓縮算法。光標跟蹤采集的信號和縮放軌跡?？s放跡線 Z1(黃色跡線)上的光標標志著射頻脈沖的開始，該脈沖從零交叉處開始?？s放軌跡 Z2(紅色軌跡)上的光標標記了脈沖串的結(jié)束。光標水平讀數(shù)顯示突發(fā)長度為 8.33295 ms，結(jié)果更準確。

內(nèi)置測量參數(shù)

示波器和數(shù)字化儀支持軟件提供內(nèi)置測量參數(shù)。大多數(shù)示波器包括大約二十個或更多常見的測量參數(shù)，例如幅度、頻率、上升時間和下降時間等等。特定應用的軟件包可以將可用參數(shù)的數(shù)量增加到一百多個。標準參數(shù)測量通?；?IEEE 標準 181，該標準采用統(tǒng)計技術(shù)對脈沖波形進行測量，如圖 5所示。

圖 5 IEEE 標準 181 將脈沖測量參數(shù)建立在對測量脈沖的頂值和底值的統(tǒng)計確定上。

脈沖頂部和底部的幅度值是通過形成波形采集樣本的直方圖來確定的，這在屏幕右側(cè)顯示為插圖。方波或脈沖波形將具有具有兩個不同峰值的直方圖。上直方圖峰值的平均值或平均值稱為“頂部”。較低值峰值的平均值稱為波形的“基值”。使用許多脈沖測量的統(tǒng)計平均值可以抑制波形畸變的影響，例如噪聲、過沖和振鈴。脈沖幅度是頂部和底部之間的差異。波形的最大值減去頂部是正過沖。同樣，波形最小值與底數(shù)之差為負過沖。脈沖寬度是跨越頂部和底部之間的中間幅度或中間值的前沿和后沿之間的時間差。波形的峰峰值是最大和最小幅度之差。轉(zhuǎn)換時間測量，如上升和下降時間，測量從脈沖幅度的 90% 到 10% 的轉(zhuǎn)換時間。如果波形不是脈沖，則測量引擎會看到這一點，因為波形直方圖具有多于或少于定義脈沖的兩個峰值。在這種情況下，幅度測量恢復為峰峰值測量，并使用參數(shù)讀數(shù)下的測量狀態(tài)圖標指示波形不是脈沖的事實。波形的峰峰值是最大和最小幅度之差。轉(zhuǎn)換時間測量，如上升和下降時間，測量從脈沖幅度的 90% 到 10% 的轉(zhuǎn)換時間。如果波形不是脈沖，則測量引擎會看到這一點，因為波形直方圖具有多于或少于定義脈沖的兩個峰值。在這種情況下，幅度測量恢復為峰峰值測量，并使用參數(shù)讀數(shù)下的測量狀態(tài)圖標指示波形不是脈沖的事實。波形的峰峰值是最大和最小幅度之差。轉(zhuǎn)換時間測量，如上升和下降時間，測量從脈沖幅度的 90% 到 10% 的轉(zhuǎn)換時間。如果波形不是脈沖，則測量引擎會看到這一點，因為波形直方圖具有多于或少于定義脈沖的兩個峰值。在這種情況下，幅度測量恢復為峰峰值測量，并使用參數(shù)讀數(shù)下的測量狀態(tài)圖標指示波形不是脈沖的事實。測量引擎會看到這一點，因為波形直方圖的峰值多于或少于定義脈沖的兩個峰值。在這種情況下，幅度測量恢復為峰峰值測量，并使用參數(shù)讀數(shù)下的測量狀態(tài)圖標指示波形不是脈沖的事實。測量引擎會看到這一點，因為波形直方圖的峰值多于或少于定義脈沖的兩個峰值。在這種情況下，幅度測量恢復為峰峰值測量，并使用參數(shù)讀數(shù)下的測量狀態(tài)圖標指示波形不是脈沖的事實。

在幾乎所有情況下，使用測量參數(shù)進行的測量都比使用光標進行的測量準確得多。它們也是自動制作的，可以節(jié)省大量時間。

測量統(tǒng)計

儀器測量如何因測量而異?測量統(tǒng)計回答了這個問題。許多儀器包括統(tǒng)計報告以及基本測量參數(shù)，如圖 6所示。

圖 6測量統(tǒng)計記錄測量值在多次測量中如何變化，顯示最后一個值、平均值、最小值、最大值、標準偏差和總?cè)丝凇?/p>

一些示波器包括所有實例測量。與時間相關(guān)的測量，如頻率和寬度，會為測量波形的每個周期報告一個值。如果屏幕上有 100 個信號周期，則測量引擎會為每次采集添加 100 個測量值。幅度相關(guān)的測量每次采集僅添加一個值。您可以在多次采集中采集大量測量值。測量統(tǒng)計提供了非常有用的數(shù)據(jù)視圖。波形顯示下方的表格(以藍色框展開)列出了采集中最后測量的值、所有采集值的平均值、集合的最小值和最大值、集合的標準偏差以及所有測量的總?cè)丝凇?/p>

幅度測量報告統(tǒng)計中包含 11,873 個值。平均值或平均值為 237.5457 mV。平均值的報告分辨率比最后一個值高，因為平均值是平均值。正如我們在波形中看到的，對平均過程進行平均提高了測量的垂直分辨率，如果對多次測量進行平均，也會發(fā)生同樣的情況，因此平均值中的數(shù)字更重要。

最大值為 241.5 mV，報告為最大值，最小值為 234.8mV。這些值有助于檢測采集期間發(fā)生的瞬態(tài)事件。其他工具可以繪制測量值與時間的關(guān)系圖，以查看瞬態(tài)事件何時發(fā)生并將它們與可能的來源及時匹配。

標準偏差描述了測量值關(guān)于平均值的分布，在本例中為 826 μV。平均值和標準差有助于理解測量值的分布，就像圖標直方圖一樣?？梢詳U展標志性直方圖以查看完整大小的直方圖，以便使用其自己的直方圖測量值進行更詳細的分析。所有這些測量工具都有助于了解特定測量的動態(tài)。對測量分布的了解使您能夠建立信號的測試限制。

結(jié)論

這些工具和技術(shù)有助于提高儀器的測量精度和可靠性。其他技巧可以從制造商的網(wǎng)絡(luò)研討會和應用說明中收集。您對儀器了解得越多，您的測量結(jié)果就越準確可靠。

Arthur Pini 是一位技術(shù)支持專家和電氣工程師，在電子測試和測量領(lǐng)域擁有超過 50 年的經(jīng)驗。